某钒铁矿山矿石高回采率实施方案研究

谭　伟，苏先锋，黄明清

(北京金诚信矿山技术研究院有限公司，　北京　101500)



某钒铁矿山矿石高回采率实施方案研究

谭伟，苏先锋，黄明清

(北京金诚信矿山技术研究院有限公司，北京101500)

以甘肃某钒铁矿山为研究对象，钒矿处于铁矿开采的上盘移动带范围，针对钒矿暂时不开采，以及采空区暴露面积大等因素影响，提出了“采铁保钒”的开采方案，东西区采用分段空场嗣后充填膏体微胶结充填采矿法，中区采用空段空场转崩落法开采。通过理论计算得到矿柱的安全系数满足稳定性要求，优化开采方案后与原方案相比，东、西区回采率增加了12%；中区回采率增加了21%，预计产生经济效益达24.975亿元。

回采率；采矿方法；矿柱稳定性；经济效益

1　工程概况

甘肃某钒铁矿山拥有钒矿和铁矿两种资源，由于市场原因，目前矿山只开采铁矿，钒矿未进行开采。钒铁矿均为近东西走向，钒矿体位于铁矿体北面，走向长度4200 m，地表露头明显。钒矿体处于铁矿体上盘，与铁矿体呈近平行层状产出，钒矿下盘至同中段铁矿上盘的水平距离相距60～190 m。上盘钒矿处于下盘铁矿开采的地表移动带范围内，因此，下盘铁矿开采的同时需考虑钒矿将来开采的可行性。

铁矿主矿体为连续稳定的层状矿体，矿体沿走向分布在7#～21#线及其西部分，长度3200 m，矿体走向近东西向，倾向北，倾角28°～66°。矿体厚度4.6～29.4 m，局部超过60 m，平均真厚度12.35 m。

铁矿目前采用分段空场法进行开采，中段高为65 m，矿块沿走向50 m，间柱8 m，顶柱7～8 m。地表平均标高为2400 m，2280 m中段以上已开采完毕，并且形成了大量连续的采空区，空区体积达278.91万m3；2215 m中段为主要生产中段。向下继续开采，采空区体积将进一步加大，为维护采场稳定需保留更多的矿柱，严重制约了铁矿体的可持续回采，增加了矿石的损失，同时也无法为将来钒矿开采提供条件。为此，需研究新的开采方案，以提高矿石回采率和维护采场稳定。

2　矿体开采方案优化

针对钒矿暂时不开采，以及钒、铁矿体位置关系，提出采用“采铁保钒”的开采方案。对铁矿采取分区不同的开采方法，7#～10E#线(东区)和13#～21#线(西区)矿体相对较薄，为10～20 m，采用分段空场嗣后膏体微胶结充填采矿法；10E#～13#线(中区)矿体较厚大，为15～30 m，采用分段空场法转崩落法的分步骤开采方法。

2.1开采方案

东、西区铁矿优先开采，矿房开采完后采用膏体微胶结的方式进行嗣后充填[1￣3]，以控制地压。沿矿体走向每隔200～300 m保留一个宽20 m的保安矿柱(如图1所示)，此矿柱作为钒矿的回采通道，待钒矿回采完后，再根据实际情况决定是否回收20 m保安矿柱。

中区以铁矿开采为主，并且铁矿优先开采。铁矿采取分步开采的方式，每个矿块采取采30 m矿房留30 m矿柱的方式。待30 m矿房开采完后，利用30 m矿柱作为通道对上盘钒矿进行强采强出，以最短的时间、最高的效率，尽可能采出更多的钒矿。上盘钒矿回采完后，再对铁矿的剩余30 m矿柱进行分2步骤回收，第1步先对矿柱两侧各削7.5 m，第2步采用崩落法回收剩余15 m矿柱，同时利用崩落围岩处理采空区[4]。

图1　钒矿回采通道

2.2开采顺序

采用“采铁保钒”的开采方案，需对原铁矿开采顺序进行调整，东、西区由原来的从上往下的顺序变为从下往上；中区采用分步骤开采，每步骤均是从上往下的开采顺序。铁矿体从2215～2020 m中段的开采顺序如图2所示，开采效果如图3所示。

图2各分区铁矿开采顺序

图3　各分区铁矿开采效果

3　矿柱稳定性分析

针对不同分区铁矿体开采方案，采用理论分析的方法分别对东、西区和中区矿柱进行稳定性计算。东、西区矿块沿走向为50 m，其中矿房42 m，矿柱8 m；中区矿块沿走向为60 m，其中矿房30 m、矿柱为30 m(分2步骤开采)。

规划开采中段为2020，2085，2150 m三个中段，中段高65 m。

3.1中区矿柱稳定性

中区铁矿体矿柱1步骤开采后，留下沿走向长L=15 m、宽(矿体厚度)b=15～30 m、高H=195 m的矿柱。此矿柱需在中区3个中段均回采完后方能回收，因此，此矿柱的稳定性决定了采场的安全生产。矿柱稳定性主要是由矿柱强度以及矿柱承受的荷载两个因素决定的[5]。

3.1.1矿柱强度

矿柱的强度受矿柱的长宽比影响很大，该区域矿柱的强度可由式(1)确定。

(1)

式中：σu——矿柱的实际强度，MPa；

σc——岩石单轴抗压强度，磁铁矿岩石抗压强度为185.39 MPa，采用折减后岩体强度55.6 MPa。

从式(1)可以看出，由于矿柱长度为15 m保持不变，则矿柱强度随矿柱宽度的变化而变化，将矿柱强度与矿柱宽度的变化绘制成曲线(如图4所示)。

图4　矿柱强度与矿柱宽度关系曲线

3.1.2矿柱荷载

3.1.2.1矿柱承受荷载面积

矿柱承受载荷的面积要分两种情况来讨论，一种是矿柱长轴垂直走向布置，另一种是矿柱长轴沿走向布置。不同的布置方式，其所承受的载荷面积也不相同。中区铁矿体开采，矿柱长轴垂直矿体走向布置，其承受载荷面积如图5所示。矿柱承受的载荷面积为图5中虚线所示，其可按式(2)来计算。

(2)

式中：S——单根矿柱承受载荷面积，m2；

B——矿房跨度，45 m。

计算得到矿柱承受荷载面积S为900～1800 m2。

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图5　矿柱垂直走向布置的承载面积平面图

3.1.2.2矿柱承受荷载

矿柱的支撑应力可按式(3)来计算。

(3)

式中：σp——矿柱承受的压应力，MPa；

ρ——上覆岩层的平均密度，2.9×103kg/m3；

h——上覆岩层的厚度，245 m。

计算得到σp为26.1 MPa。

3.1.3稳定性计算

当矿柱的截面尺寸增大时，矿柱的强度也必然增大，但是同时矿柱承受的荷载也随之增大。因此，单凭两者中的一个难以正确评价矿柱的稳定性。为了更好的评价矿柱的稳定性，将矿柱的实际强度与矿柱承受的垂直应力相比，从而得到矿柱的安全系数，计算公式见式(4)。

(4)

式中：k——矿柱的安全系数。

矿柱长度l为15 m保持不变，宽度b分别取15，20，25，30，35，40，45，50 m，求出各安全系数见表1。

表1　中区不同矿柱宽度对应安全系数

从表1可知，矿柱宽度达到50 m时，即矿房跨度达到50 m时，矿柱的安全系数k=1.3。根据《金属非金属矿山安全规程》的要求，当安全系数k>1.1时，矿柱即可基本满足稳定。由此可知，中区铁矿体开采，留矿柱长15 m、宽15～30 m时，可维持矿柱的稳定。

3.2东、西区矿柱稳定性

东区和西区采用一样的开采方案，每次开采一个中段，膏体微胶结充填后再进行下一中段的开采，因此，计算矿柱稳定性时只按一个中段高进行计算。铁矿开采后，均留下自上而下沿矿体走向8 m长的条形矿柱，矿柱宽为矿体厚度10～20 m，高度为65 m。

矿柱稳定性计算方法参照中区的计算方法。矿柱长度l为8 m保持不变，当矿柱宽度b为10～20 m时，仍满足l≤b≤0.3H，矿柱强度采用式(1)计算，安全系数采用式(4)计算。

计算矿柱长度l为8 m保持不变，宽度b分别取10，12，14，16，18，20 m，求出各安全系数见表2。

表2　东、西区不同矿柱宽度对应安全系数

从表2可知，当矿柱宽度达到20 m时，即矿房跨度达到20 m时，矿柱安全系数最小为1.2，因此，留8 m矿柱可维持稳定。

4　回采效益

铁矿新开采方案与原方案相比，东、西区各中段间将不保留水平矿柱，中区水平矿柱和间柱则是全部进行回收，从而极大的增加了矿石回采率。其中东、西区回采率由原来的70%增加到82%，增加了12%；中区回采率由原来的70%增加到91%，增加了21%。

从7#～21#线2020～2150 m三个中段整体来看，东、西区增加回采铁矿石量为323万t，中区增加回采铁矿石量为232万t，共计增加回采铁矿石量为555万t。按450元/t计算，回采铁矿石的经济效益可增加24.975亿元。

5　结　论

(1) 根据甘肃某钒铁矿山钒矿和铁矿的开采现状，钒矿暂时未开采并处于下盘铁矿开采的地表移动带范围内，铁矿体2280 m以上中段已形成采空区体积达278.91万m3，提出了“采铁保钒”的开采方案。铁矿采用分区不同开采方案，东、西区采用分段空场嗣后膏体微胶结充填采矿法，并且沿走向每隔200～300 m保留20 m矿柱作为钒矿回采通道；中区采取分段空场法转崩落法的分步开采方式，每个矿块采取采30 m矿房留30 m矿柱的方式，30 m矿柱作为钒矿回采通道。

(2) 通过对各分区不同开采方案矿柱稳定性进行理论分析得到，中区矿柱宽度达到50 m时，即矿房跨度达到50 m时，矿柱的安全系数为1.3；东、西区矿柱宽度达到20 m时，即矿房跨度达到20 m时，矿柱安全系数最小为1.2。根据矿体厚度为4.6～29.4 m可知，矿柱可达到稳定性要求。

(3) 铁矿优化后开采方案与原方案相比，东、西区回采率增加了12%；中区回采率增加了21%，预计产生经济效益达24.975亿元。

[1]汪海萍，宋卫东，张兴才，等.大冶铁矿分段凿岩阶段空场嗣后胶结充填法工程实践[J].矿业研究与开发，2015，35(5)：26￣29.

[2]杨志强，高谦，王永前，等.金川全尾砂-棒磨砂混合充填料胶砂强度与料浆流变特性研究[J].岩石力学与工程学报，2014，33(Z2)：3985￣3991.

[3]曹帅，宋卫东，薛改利，等.考虑分层特性的尾砂胶结充填体强度折减试验研究[J].岩土力学，2015，36(10)：2869￣2876.

[4]张宝，李向东，周益龙，等.复杂采空区群处理及隐患资源回收综合技术[J].矿业研究与开发，2014，34(4)：16￣20.[5]宋卫东，曹帅，付建新，等.矿柱稳定性影响因素敏感性分析及其应用研究[J].岩土力学，2014，35(Z1)：271￣277.

2016￣06￣03)

谭伟(1986-)，男，江西赣州人，硕士，主要从事岩石力学测试与工程稳定性分析方面的研究，Email:tanweitw86@sina.com。